Mecanica de los fluidos

Mecánica de Fluidos. Flujo compresible y flujo incompresible
Aquellos flujos donde las variaciones en densidad son insignificantes se denominan incompresibles;cuando las variaciones en densidad dentro de un flujo no se pueden despreciar, se llaman compresibles. Sise consideran los dos estados de la materiaincluidos en la definición de fluido, líquido y gas, se podría caer en el error degeneralizar diciendo que todos los flujos líquidos son flujos incompresibles y que todos los flujos de gases son flujos compresibles. La primera parte de esta generalización es correcta para lamayor parte de los casos prácticos, es decir, casi todos los flujos líquidos son esencialmente incompresibles. Por otra parte, los flujos de gases se pueden también considerar como incompresibles si las velocidadesson pequeñas respecto a la velocidad del sonidoen el fluido; la razón de la velocidad del flujo, V, a la velocidad del sonido, c, en el medio fluido recibe el nombre de número de Mach, M, es decir,
M=V/c
Los cambios en densidad son solamente del orden del 2% de valormedio, para valores de M< 0.3. Así, los gases que fluyen con M < 0.3se pueden considerar como incompresibles; un valor de M = 0.3en el aire bajo condiciones normales corresponde a una velocidad de aproximadamente 100 m/s.
Los flujos compresibles se presentan con frecuencia en las aplicaciones de ingeniería. Entre los ejemplos más comunes se pueden contar los sistemasde aire comprimido utilizados en la operación de herramienta de taller y de equipos dentales, las tuberías de alta presiónpara transportar gases, y los sistemascensores y de controlneumático o fluídico. Los efectos de la compresibilidad son muy importantes en el diseñode los cohetes y aviones modernos de alta velocidad, en las plantasgeneradoras, los ventiladores y compresores.
Bajo ciertas condiciones se pueden presentar ondasde choque y flujos supersónicos, mediante las cuales las propiedades del fluido como la presión y la densidad cambianbruscamente
Flujos incompresibles estacionario en conductos a presión
Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemático y científico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirma que la energía mecánicatotal de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias quesiempre son paralelas a la direccióndel flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Para el autor John Muller: "Este principio es importante para la medidade flujos, y también puede emplearse para predecir la fuerzade sustentación de un ala en vuelo.
1. Flujo Laminar y Turbulento.
Los primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja velocidad a través de tuberías fueron realizados independientemente en 1839 por el fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille, que estaba interesado por las características delflujo de la sangre, y en 1840 por el ingeniero hidráulico alemán Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas se debió al ingeniero francés Claude Louis Marie Navier en 1827 e, independientemente, al matemático británico George Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscososincompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan complejas que sólo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a través de una tubería recta. El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la energía mecánicatotal se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que provoca una caída de presión a...